JPH01313132A - 金属スラリーの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレオキャスト、チクソキャスト等に用いられる
半固体状チクソトロビック金属スラリーの製造方法に関
する。

〔従来の技術〕

金属スラリーは液相に固体粒子が濃厚に懸濁した半固体
状金属で、近年この金属スラリーを鋳造してこれを素材
又は製品として用いる方法が種々検討されている。

上記金属スラリー鋳造法には溶融金属を鋳型に注入する
という既存の鋳造法に比べて次の特徴及び利点がある。

即ち（１）凝固収縮が小さい為鋳造側れや引は巣が減少
し品質が向上する。（２）凝固潜熱が少ないため凝固冷
却時間が短縮され生産性が向上する。（３）固体粒子が
懸濁する為熔融金属に比べ浸食性が小さいので鋳型寿命
が延びる。（４）固体粒子が微細でかつ懸濁しているた
めマクロ偏析が防止されて均質性が向上するとともに結
晶粒微細化により機械的特性が向上する等である。

尚、補足すれば上述した金属スラリーのもつ利点はその
固相率（固体粒子が占める割合）が大きい程、又含まれ
る固体粒子径が小さい程、更に発揮されるものである。

即ち前者は（］）〜（３）、後者は（４）を助長する。

但し固相率については一般に６０％程度が好ましい。こ
のように種々の利点を持つ金属スラリーの従来の製造方
法は、機械的撹拌法と！［撹拌法に大きく分類されるが
、両者は撹拌方法が異なるものの、その基本的概念は同
じである。即ち溶融金属の入った容器を周囲から冷却し
ながら徐々にその温度を降下させ、前者はその中心に位
置したローターの回転力により直接、後者は交流誘導或
いはパルス化した直流磁界のいずれかを使用して間接的
に撹拌を加え容器内壁面から晶出するデンドライトの相
互連結を妨げたり文数に形成されたデンドライトを破壊
することにより粒状化し、この操作を行いながら所定の
温度迄冷却することにより所望の固相率を持つ金属スラ
リーを得るものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこのような従来の方法により製造される金
属スラリーは固体粒子径が大きいもので有り、これを鋳
造して得られる鋳塊は結晶粒径が大きく、従って上記鋳
塊を例えば超塑性合金材料として用いる場合は十分な伸
びが得られず又形状記憶合金材料として用いる場合は疲
労寿命が短い等という問題があった。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明はかかる
状況に鑑みなされたもので、その目的とするところは均
一微細な固体粒子が分散する金属スラリーが容易に低コ
ストで製造し得る金属スラリーの製造方法を提供するこ
とにある。

即ち本発明は、所定温度に加熱された溶融金属に内部か
ら冷却され微振動する核生成器を浸漬して、上記溶融金
属中に核を生成せしめるとともに、上記溶融金属を撹拌
することにより上記核又は上記核から成長した固体粒子
を分断し又は上記核又は固体粒子の凝集を防止すること
を特徴とするものであり、父上記核生成器の少なくとも
溶融金属と接する表面層が上記溶融金属との濡れ性の悪
い材料中に上記溶融金属との濡れ性の良い材料が微細に
分散した複合材から構成されていることを特徴とするも
のである。

以下に本発明を図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明方法を実施する金属スラリー製造装置の
一例を示す要部説明図である。図において１は処理炉、
２は溶融金属を撹拌するためのらせん羽根、３は核生成
器である。

処理炉１は周囲に発熱体４を持つ環状炉で熱電対５が挿
入されており、溶湯６の温度を高精度に制御できるよう
になっている。その内壁７は黒鉛等のような溶融金属と
の濡れ性が悪い材料により形成され、その中央底部には
スラリー取出口８が設けられている０面この取出口８周
囲にはスラリーの固着防止のため発熱体９が設けられて
いる。

らせん羽根２は駆動装置１０により回転し、又昇降装置
１１により上下動が可能であり、このらせん羽根２の軸
先端は、処理炉１のスラリー取出口８の栓を兼ねている
。核生成器３は昇降装置により上下動可能に取付けられ
ており、その支持アーム１３には振動発生装置１４が取
付けられている。核生成器３は第２図イ、口に示したよ
うに溶融金属６と接触する外被１５は溶融金属との濡れ
性の異なる材料例えば黒鉛ヘース１６にＡ　ｌ　！　Ｏ
３１７を分散させたような複合体からなり（同図口）、
その内部に水路１８を有する銅棒１９が螺合されている
。

上記処理炉Ｉの下方には金属スラリーを鋳込むための鋳
型２０が配置される。

次に本装置による製造工程を説明する。

まず所定温度に昇温された処理炉１にらせん羽根２がそ
の昇降装置ｔｉによりスラリー取出口８を塞ぐ位置迄降
下し、所定の回転を開始した後、処理される溶融金属６
が上記処理炉１内に注入され、熱電対５により測温され
所定温度に保持される。

しかる後上方より核生成器３が浸漬され、その表面に生
成した固相は付与した振動にてふるい落され、らせん羽
根２により撹拌される。

このようにして溶融金属中に固相粒子が増加するに伴い
、処理炉１内の溶融金属温度は徐々に低下させるが、こ
の低下速度は第４図に示したような温度−固相率曲線に
、予め予備実験により求めた固相生成速度をもとに固相
率を算出しこの固相率を上記曲線にあてはめて決定され
る。

溶融金属６が所望の面相率に達した時点で核生成器３を
上方へ引上げ、その後僅かの時間撹拌をつづけ、温度の
均一化を計った後、らせん羽根２を昇降装置１１により
上昇させスラリー取出し口８から金属スラリー１５を鋳
型２０内に注入する。

以下に本発明方法により、均一微細な固体粒子が懸濁す
る金属スラリーが得られる理由を説明する。

溶融金属は凝固する際の冷却速度が大きい程微細な凝固
組織を呈するがこの理由は、まず核生成段階で言えば適
冷が増大し、核生成量が増加するためであり、又その成
長段階で言えば溶質の拡散に時間的余裕を与えないから
である。第３図は冷却速度が凝固組織に及ぼす影響をＡ
ｌ−４，５ｗｔ％Ｃｕ　　０．９ｗｔ％Ｍｇ合金につい
て例示したものである。即ち冷却速度が大きい程結晶核
となるデンドライトのアーム間隔が小さくなり、多数の
結晶核が生成することが認められる。

本発明はこの現象を利用したもので、溶湯中に浸漬した
核生成器３によってその表面に接する溶融金属６を急激
に冷却し、多くの核生成を起こさせるものである。又そ
の材質として溶湯６との濡れ性の異なる材料を混合した
複合体を用いる理由は、単一材料の場合、振動を加える
とはいえ、その表面に強固なシェルを形成し易いためで
あり、本発明のものは意図的に濡れ性の悪い材料１６中
に濡れ性の良い材料１７を分散して設けることによって
核生成を核生成に要するエネルギーの小さい個所、即ち
濡れのよい個所に限定し、その周囲の濡れの悪い部分が
核相互の連結を妨げ振動による核の分離を促進するため
である。

更に核生成器３について補足すればその外被１５の材料
は、処理する金属の種類に応じて適切に選定すべきもの
であるが、本発明者等の調査によれば、溶融金属がＡＩ
！、合金の場合は黒鉛ベースにＳｉＣ粉末を分散させた
もの、Ｃｕ合金の場合は黒鉛ベースにＭｇＯを分散させ
たもの、Ｆｅの場合はＡｌ２ｔＯｓベースにＳｉＣを分
散させたものが良好で上記分散材の混合比はベース材に
対し５〜２０ｗｔ％が効果的で５％未満では、核生成量
が少なく、又シェルが形成され易く、２０％を超えると
結晶粒の粗大化傾向が認められる。核生成器３の振動数
は５０七もあれば十分であり、核生成器３の設置個数は
処理溶湯量に比例して増やすことが望ましい。

らせん羽根２に関しては、その外径は特に限定しないが
、処理炉内壁７に出来るだけ近くし、又回転数は大きい
方が効果的に作用する。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例１ 第１図に示した金属スラリー製造装置を用いてＡＩ！　
　４．５ｉ＋ｔ％Ｃｕ合金の固相率５０％の金属スラリ
ーを作製した。

上記製造装置の主な設備仕様を以下に示す。

即ち処理炉１は内径２００ｍｍ、高さ３００ＩＩＩ１１
の黒鉛製、らせん羽Ｉ１２は直径１９０ｍｍ＋のセラミ
ックス製、核生成器３の外被１５は黒鉛粉９０％、Ａ　
ｊ！　ｔ　Ｏｓ粉１０％を混合焼結成形した直径３０■
の棒で、この内部に直径３閣の水路１８を持つ直径２０
ｍｍの銅棒１９を螺合したもので上記Ａｆ。

Ｏ１粉の平均粒径は５Ｊｎａである。

まず予備実験として、Ａ１−４゜５ｗｔ％Ｃｕ合金の熱
分析及び凝固温度範囲における固相率の調査を行い、液
相線、固相線温度がそれぞれ６４５°Ｃ１５７２°Ｃで
あり、その温度範囲における固相率は第４図のように変
化し６３１°Ｃにて固相率が５０％に到ることを確認し
た。

次にこの核生成器３を種々温度のＡｌ　　４．５ｗｔ％
Ｃｕ合金溶湯６に１分間、場面から１ｃｍの深さ浸漬し
、その表面に付着する固相生成量を調べた。

ここで凝固温度範囲における調査は周囲を断熱し、底部
から上部へ向って一方向で凝固する装置（図面省略）を
用い、上部の液に核生成器３を浸漬することにより行っ
た。その結果は第５図に示したように核生成器３の表面
に付着する固相生成量は液相線迄は溶湯温度が低い方が
多いが、それ以下即ち凝固温度範囲では一定となるもの
である。また両者の関係は核生成器３内部に流す冷却水
量に依存し水量増加に従って固相生成量が多くなること
が判った。

次に核生成器３に振動を付与して同様に浸漬実験を行っ
たところ振動数５０Ｈｚ以上の振動により固相は核生成
器３から分離することが判った。

これらの予備実験に基づき次の方法により金属スラリー
を作製した。電気炉にて溶製したＡｌ−４，５ｗｔ％Ｃ
ｕ合金溶湯を７００°Ｃに昇温した処理炉ｌに深さ２８
０ａｎ（重量で２０ｋｇ）迄供給し、らせん羽根２を１
２０「１ｍで回転しつつ上記溶湯温度を徐々に下げ６４
５°Ｃに保持した。次に内部に１５°Ｃの水を８０ｃｃ
／ｍｉｎ割合で流し又５０１（ｚの振動を加えた核生成
器３を４個場面から深さ１ｃｍ浸漬した。

このようにして溶融金属中に固体粒子を生成せしめると
ともに固体粒子の増加にあわせて、溶湯温度を、上記固
体粒子が溶湯中に占める割合即ち固相率が保持される温
度に毎分０．６°Ｃずつ徐々に降温して２０分後面湯温
度が６３１°Ｃになった時点で核生成器３を全て引き上
げその状態で３分間撹拌をつづけた後、らせん羽ｍ２を
引き上げ金属取出口８から固相率５０％の金属スラリー
を予め設置した銅鋳型に注入し速やかに凝固させ鋳塊２
１となした。

次に従来法として、この装置を周囲から冷却できるよう
に改造し、これを用いて前記と同じ組成及び固相率の金
属スラリーを作製した。この際溶湯の冷却速度は毎分０
．６°Ｃで２０分間で６３１°Ｃになるよう処理炉１の
温度を制御した。上記金属スラリーを前記と同様の方法
で銅鋳型２０に鋳込み鋳塊２１を作製した。

斯くの如くして得られた各々の鋳塊から小型サンプルを
採取しミクロ観察を行った結果、両方ともデンドライト
が破壊され球状化を示していたが、その大きさは大きく
異なり、従来法が５０−〜１００−の範囲で分布してい
るのに対し本発明によるものは５〜１０−と著しく微細
であった。

次に上記各々の鋳塊から１０本ずつ試験片を切り出し完
全溶体化処理後引張試験を行った。結果は第１表に示し
゛た。

第　　　１　　　表 σ＝標準偏差 第１表より明らかなように本発明方法品（１）は従来品
（２）に較べて引張強さ、伸びともに優れバラツキ（σ
）も小さい。

実施例２ 第１図に示した装置を用い、超塑性を示す材料であるＡ
ｌ−３３ｗｔ％Ｃｕ共晶合金の作製実験を行った。設備
仕様は実施例１と同様である。

先ず予備実験として共晶温度５４８°Ｃに保持したＡｊ
２　３３ｗｔ％Ｃｕ溶湯６に１５’Ｃの水を内部に流し
た核生成器３を場面から１１の深さに１分間浸漬し、そ
の表面への固相生成量を調べた所、第５図の凝固温度範
囲の値と全く同じ結果が得られた。

次に核生成器３に振動を付与して同様の浸漬実験を行っ
たところ振動数が５０Ｈｚ以上の振動により固相は核生
成器３から分離することが判った。

これらの予備実験に基づき電気炉にて溶製したＡＮ　　
３３ｗｔ％Ｃｕ合金溶湯を実施例１と同じ方法により処
理炉１に供給しらせん羽根２を１２Ｏｒｐｍで回転しつ
つ上記溶湯温度を徐々に下げ共晶温度５４８°Ｃに保持
した。次に内部に１５°Ｃの水を６０ｃｃ／ｗｉｎの割
合で流し、又５０１（ｚの振動を加えた核生成器３を４
個それぞれ場面よりＩｃｍの潔さ迄浸漬した。この条件
では、核生成器３から毎分１００ｇずつ４個で４００ｇ
の固相が生成することが判っている。この条件を保持し
ながら４０分後面相率が８０％に達したところで核生成
器３を全て引き上げこの状態で３分間保持した後、らせ
ん羽根２を持ち上げ生成した金属スラリーを予め設置し
た銅鋳型２０に注入し速やかに凝固させた。同様の手順
で核生成器３の外被１５のＡ　ｆ　ｚ０３粒１７径をか
えて実験を行い４種類の鋳塊２１を作製した。斯くの如
くして得られた各々の鋳塊２１からサンプルを切り出し
結晶粒径並びに５００°Ｃでの引張試験により伸びを測
定した。比較のため従来の溶湯鋳造・加工熱処理材につ
いても同様の測定を行った。結果は第２表に示した。

第　　　２　　　表 第２表より明らかなように本発明方法品（３〜６）は従
来品（７）と同等以上の高い伸びを示した。

本発明方法品において核生成器の外被を構成するＡｌｔ
Ｏｘの粒子径が細かい程、得られる鋳塊の結晶粒径は微
細となり又結晶粒径が細かい程伸びが増加し、特に上記
Ａ２□０３の粒子径が０．３　ｔｒｍ以下のものは伸び
が急激に増加している。

このようなことから本発明方法による金属スラリーの鋳
造材は、超望性合金材料の素材として用いて有効なこと
が判る。

〔効果］ 以上述べたように本発明方法によれば、均一微細な固体
粒子が懸濁した金属スラリーが容易に低コストで製造し
得るので、工業上顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する金属スラリー製造装置の
一例を示す要部説明図、第２図イは上記製造装置に取付
けられる核生成器の縦断面図、同図口は上記核生成器の
溶湯と壇する外被の部分拡大図、第３図は冷却速度と鋳
造組織の関係図、第４図はＡｌ　４．５ｗｔ％Ｃｕ合金
の固相率と温度の関係図、第５図は固相生成速度に及ぼ
す溶湯温度と核生成器の冷却水量の影響を示す図である
。 １・・・処理炉、　２・・・らせん羽根、　３・・・核
生成器、　６・・・溶融金属。 特許出願人　　　古河電気工業株式会社第１図 第２図 冷却速度　°Ｃ 第３図 第４図 温度　°Ｃ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定温度に加熱された溶融金属に内部から冷却さ
   れ微振動する核生成器を浸漬して、上記溶融金属中に核
   を生成せしめるとともに、上記溶融金属を撹拌すること
   により上記核又は上記核から成長した固体粒子を分断し
   又は上記核又は固体粒子の凝集を防止することを特徴と
   する金属スラリーの製造方法。
2. （２）核生成器の少なくとも溶融金属と接する表面層が
   上記溶融金属との濡れ性の悪い材料中に上記溶融金属と
   の濡れ性の良い材料が微細に分散した複合材から構成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の金属スラリー
   の製造方法。